柴油機DOC不同空速對升溫試驗研究

王磊 王再興 余國成 劉屹

摘要：為了研究柴油機氧化型催化轉化器（DOC）性能影響因素，文章運用實驗方式對發動機在不同溫度、空速下進行了噴油升溫試驗驗證。結果表明：在DOC入口溫度相同時，空速增加，相同噴油量下，DOC出口溫度降低;達到目標所需噴油量增加，DOC升溫能力變弱。

關鍵詞：柴油機;HCI;DOC;柴油

0? 引言

柴油機因具有其獨特的優勢廣泛運用，然而柴油機尾氣中的顆粒物（PM）危害極大[1]。隨著國家對排放要求日益嚴格，對于PM的排放限值也越來越高，在整車上可通過后處理DPF可以補集90%以上的碳煙，但DPF內所補集的碳煙需達到600℃以上的溫度才可燃燒清除，無論采用發動機缸內后噴還是增加HCI（碳氫噴射系統）都需要通過DOC進行THC氧化反應來提升發動機排氣管中的排氣溫度，以此方法來提高DPF的入口（DOC出口）溫度滿足DPF再生條件，此時就需要DOC要有良好的轉化升溫性能。

氧化型催化轉化器（DOC）也是當今世界公認提升DPF入口溫度最有效的技術之一。到目前為止，大量的學者對影響DOC升溫進行了大量研究工作。本文為某柴油發動機設計的一款DOC，并針對其升溫性能開展實驗研究（見圖1）。

1? DOC升溫性能選題方案

DOC的三大作用：

①發動機燃燒后的氣體經過DOC蜂窩狀載體的時候會被載體表面涂覆的鉑系金屬吸附，同時鉑系金屬作為催化劑與吸附的氧一起對于發動機尾氣中的一氧化碳和碳氫化合物氣體氧化燃燒，成為對環境影響不大的二氧化碳氣體與水。

②DOC作為主動再生時候的“爐子”起到點燃噴射到排氣管里面燃油的“重任”。為什么是DOC而不是其它部分呢？主要是DOC大量吸附儲存了發動機富氧燃燒后多余的氧氣，只有充足的氧氣才能保證再生功能穩定持續的進行。

③DOC可以將發動機燃燒過后產生的一氧化氮（NO，氣體，屬于NOX其中的一部分）氧化為二氧化氮（NO2），二氧化氮作為催化劑可以降低顆粒物燃燒溫度。

2? HCI+DOC系統介紹

2.1 HCI+DOC系統

研究對象為輕型柴油機的HCI+DOC系統，系統結構示意如圖2所示。

2.2 催化器不同空速升溫性能評價指標

對于一個給定的催化器，制定不同的DOC入口溫度，不同的空速進行對比驗證，這樣可以從催化器在各個空速下的升溫達到目標值所需的燃油消耗量指標去評價一個DOC催化器性能的優劣。

DOC催化器的升溫能力：在試驗中在DOC催化器的上游和下游分別安裝熱電偶傳感器，用于測量DOC的入口和出口排氣溫度。DOC下游安裝尾氣排放測量裝置，用于監測尾氣中的THC的泄露值。在達到設定目標DPF入口（DOC出口）溫度620℃時，可以利用測量的THC的泄露數值不高于1500ppm去計算催化器的升溫能力。

3? 試驗驗證

試驗安排在一臺電控高壓共軌缸內直噴輕型柴油機上進行的。試驗采用了湖南湘儀電力測功機，瞬態油耗儀、HORIBA MEXA-ONE排氣分析儀以及溫度傳感器等。依次選取空速在50000h-1、70000h-1、90000h-1、110000h-1不同的4個空速點，然后在操作臺架上調整轉速和油門，使DOC入口溫度達到280℃。用設備記錄下溫度穩定后開始噴射燃油，直到DPF入口溫度達到620℃;或者DOC下游THC泄露值不大于1500ppm為基準，并用設備記錄下現在的尾排及各項數據。再次調整轉速和油門，使DOC入口溫度達到300℃，重復以上的試驗步驟，依次類推，完成DOC入口溫度280℃、300℃、350℃、400℃所對應上訴的4個空速點下的升溫性能測試，分別記錄下試驗數據進行分析得出結果。

4? 不同空速對DOC升溫性能的影響（見圖3）

在探究DOC催化器的性能參數的影響時，發動機的空速也是主要影響因素之一。在這里探究的是發動機在不同溫度、空速下的升溫性能對比試驗，從DOC對于THC轉化升溫能力進行分析。

從圖3中我們可以看出，當發動機處在較低的空速時能夠有效提高DOC的燃油升溫性能，當在發動機空速一定是，需求目標溫度為620℃，此時隨著DOC入口溫度的增加，噴入尾氣中的燃料隨著排氣溫度升高而逐漸減小。在同一目前溫度下，相對應的噴射燃油消耗量是減少的，在實際使用過程中是有利于成本的。在其他的參數不變的前提下，只單單改變發動機空速，隨著發動機的空速增加，噴入尾氣中的燃料隨著發動機空速升高而逐漸增加，在成本上也會有所增加。當發動機處于低空速下且達到目標溫度620℃時，由于所需噴射的燃料較少，DOC下游的THC泄露值可以得到很好控制在1500ppm的數值范圍內。但隨著空速的不斷增加，所相對應的噴射燃料也會增加，導致DOC下游的THC的泄露值也升高至2000ppm，這樣在實際使用過程中，如DPF入口溫度（DOC出口）需要達到620℃的目標溫度再生時，同時發動機又處在高空速條件下，可能會導致THC排放值超標的情況出現。

5? 結論

①DOC催化器的直徑和長度共同構成其體積，在橫截面積相同的情況下，盡可能將催化器的長度加長。②DOC催化器的載體體積大小，受制于實際整車布置和成本要求。像對與發動機體積比，增加DOC體積來降低發動機空速，對于DOC催化器性能會比較好。③DOC催化器的體積增加既能夠有效的提高升溫性能，也會使排氣背壓降低，但相對成本會有所增加，整車搭載布置帶來一定困難，所以它們之間相互矛盾、相互制約。

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